火星表面曾有过液态水，包括像曾经占据杰泽罗陨石坑的湖泊，但这些湖泊早已干涸。人们还认为，古代的水携带着残骸，而现在融化的水冰也同样携带着残骸，它们是形成遍布火星地貌的沟壑的唯一动力。新的研究结果表明，干冰也能塑造地貌。

以前，科学家们相信只有液态水才能塑造火星上的沟壑，因为地球上就是这样。没有考虑到的是升华，即物质从固态直接转变为气态。升华就是二氧化碳冰消失的过程（有时水冰也会经历这种过程）。

冰冻的二氧化碳在火星上随处可见，包括在沟壑中。当二氧化碳冰在这些沟壑中升华时，产生的气体会将碎石进一步推向斜坡，并继续塑造斜坡。

在荷兰乌得勒支大学行星研究员隆内克-罗伊洛夫斯（Lonneke Roelofs）的带领下，一个科学家小组发现，二氧化碳冰的升华可能塑造了火星沟壑，这可能意味着火星上最近出现液态水的时间可能比以前想象的要早。这也意味着火星上可能出现生命并繁衍生息的时间窗口可能更短。

"在火星大气条件下，二氧化碳冰的升华可以使沉积物流动，并形成类似于在火星上观察到的形态，"Roelofs 和她的同事在最近发表于《地球与环境通讯》（Communications Earth & Environment）上的一项研究中说。

进入稀薄空气

地球和火星沟壑的形态基本相同。不同的是，我们可以肯定，液态水是它们在地球上形成并不断塑造和再塑造的幕后推手。这种活动包括开凿新的沟道，将更多的碎石带到沟底。

古代火星可能有足够稳定的液态水来完成这些活动，而现在的火星表面却没有足够的液态水来维持这种活动。这就是升华的作用所在。在物质开始流动的同时，火星表面也出现了二氧化碳冰。

在研究了类似的观测结果后，研究人员假设这些流动是在冰冻的二氧化碳升华时被气体向下推动的。由于火星上的气压较低，升华产生的气体流量比在地球上要相对大一些--足以使物质的流体运动成为可能。

有两种方法可以触发升华，使这些流体运动起来。当沟谷中较暴露区域的一部分坍塌时，尤其是在陡坡上，被太阳加热的沉积物和其他碎屑会掉落在较阴凉区域的二氧化碳冰上。坠落物产生的热量可以为冰霜升华提供足够的能量。另一种可能性是，二氧化碳冰和沉积物会从沟壑中脱离，落到较热的物质上，这也会引发升华。

实验室中的火星

这些想法存在一个问题：由于目前人类还没有登陆火星，因此无法对这些现象进行现场观测，只能通过航天器传回图像和数据。因此，一切都是假设。研究小组必须建立火星沟壑模型，以便实时观察火星沟壑的活动。

为了在实验室中重现红色星球的部分地貌，罗伊洛夫斯在一个特殊的环境舱中建造了一条水槽，模拟火星的大气压力。它足够陡峭，物质可以向下移动，足够寒冷，二氧化碳冰可以保持稳定。但研究小组还在相邻的斜坡上增加了较暖的坡度，以便为升华提供热量，从而推动碎片的移动。他们对火星上可能出现的两种情况进行了实验：热量来自二氧化碳冰层下方，而温暖的物质则被浇筑在冰层之上。这两种情况都产生了假设的那种流动。

为了进一步证明在特定条件下会发生由升华驱动的流动，他们又进行了两次实验，一次是在类似地球的压力下，另一次是在没有二氧化碳冰的情况下。这两个实验都没有产生气流。

研究人员在研究报告中说："这些实验首次提供了直接证据，证明在火星大气条件下，二氧化碳升华可以使颗粒流动并维持下去。"

研究人员在研究报告中说："因为这项实验表明，沟壑和类似的系统可以由升华而不仅仅是液态水形成，这就提出了一个问题：火星表面有足够的液态水供应，可供生物（如果有的话）生存多长时间。火星的适居期可能比人们曾经认为的要短。这是否意味着火星上从未有过生物？不一定，但罗洛夫斯的发现可能会影响我们对未来行星宜居性的看法。"

《地球与环境通讯》，2024 年。DOI: 10.1038/s43247-024-01298-7